朱旭東（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 3158012）

脫硫脫硝尾氣排放煙羽擴散模擬研究

朱旭東（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 3158012）

隨著全社會對大氣環(huán)境質量重視程度的不斷提高，石化企業(yè)紛紛加大對石油煉制過程尾氣排放的環(huán)保治理力度，對各類鍋爐煙氣、加熱爐煙氣、催化再生煙氣實施脫硫脫硝處理已十分普遍，目前對于脫硫脫硝后排放尾氣的煙羽擴散問題研究較少，因環(huán)境布點檢測手段復雜、費用高，關于煙羽擴散規(guī)律方面的研究不易開展，運用CFD建模技術對其這一課題進行數值化模擬分析。

脫硫脫硝尾氣;煙羽擴散;CFD

即將于2015年7月1日執(zhí)行的《GB31570-2015石油煉制工業(yè)污染物排放標準》，對現有和新建石油煉制企業(yè)及其生產設施的水、氣污染物排放限值，進行了達標時限和控制指標上的明確規(guī)定。標準中，對于造成大氣光化學污染影響的主要污染物氮氧化物的時限排放規(guī)定限值，工藝加熱爐是150-180mg/ m3、催化裂化催化劑再生煙氣是200 mg/m3，同時對于存在國土開發(fā)密度高、環(huán)境承載力開始減弱、大氣環(huán)境容量較小等問題的地區(qū)，氮氧化物的排放限值下調為100 mg/m3。

近年來中國海洋石油嚴格執(zhí)行國家政策法規(guī)要求，采取各種手段對于石油煉制過程中各類污染物進行治理，在大氣光化學污染物控制方面，主要采取煙氣脫硫脫硝、原料油深度加氫處理等技術措施，應用普遍的是煙氣脫硫脫硝方案。隨著國家對大氣環(huán)境污染治理重視程度的提高，全社會對環(huán)境治理方面的意識越來越強，對于排放檢測數據達到國家規(guī)定限值的企業(yè)和設施，企業(yè)周邊社區(qū)也經常從視覺可見性、嗅覺分辨性等感官方面提出更新的苛刻要求，目前對于經脫硫脫硝后排放尾氣煙羽擴散問題方面的研究較少，主要是由于環(huán)境布點檢測手段復雜、費用高，研究開展的難度大，采取CFD方法，建立排放尾氣的模型，可以對脫硫脫硝后煙羽的擴散性和視覺可見性進行分析，簡便易行。

1 研究對象

模型研究對象設定為某重油催化裂解裝置的再生煙氣脫硫脫硝設施，采用SCR+PTU組合工藝技術，尾氣滿足國家規(guī)范要求后經仝煙囪排放，有關建立模型的基本參數見表1：

表1 脫硫脫硝尾氣排放煙羽模型基本數據

2 建模思路和過程

2.1 建模思路

脫硫脫硝處理后尾氣經101m高，內徑4m的煙囪排出，與大氣接觸后隨環(huán)境氣流擴散，建立一400m×400m的模型空間，以滿足描述尾氣煙羽擴散的包容范圍，通過CFD建模研究脫硫脫硝尾氣在此空間內的擴散和視覺可見性，計算方式采用組分輸運（species transport）模型，建模步驟：①建立2D幾何模型；②劃分網格；③設置基本模型、能量方程、湍流模型；④定義組份，啟動組份輸運模型；⑤設置邊界條件、算法，進行計算；⑥輸出計算云圖。

2.2 2D幾何建模

圖1 脫硫脫硝尾氣煙羽擴散計算尺度范圍和邊界設置

圖2 煙囪排放口網格劃分結果

圖3 脫硫脫硝尾氣煙羽一氧化氮（NO）擴散濃度分布圖

采用Design Modeler草圖建模工具建立2D的模型計算范圍，并進行邊界范圍設置，簡圖如圖1所示。

2.3 網格劃分

在2D幾何建模的基礎上，用Meshing工具進行網格劃分，本模型計算范圍空間尺度較大，模型整體采用“四邊形主導網格劃分方法（Quadrilateral Dominant）”，單元中間節(jié)點設置為“使用選型進行設置（Use Global Setting）”；自由面網格類型采用“四邊形/三角形方法（Quad/Tri）”，最大面域尺寸設置（Size= 1.0m），生成計算單元數量159596個。生成后的網格質量方面，偏斜度（Skewness）：最大0.012692、最小1.3E-10、平均1.45E-06、標準偏差6.11E-05，滿足計算本題目的劃分質量要求。煙囪排放口處的網格生成情況如圖2所示。

表2 速度入口邊界條件設置

2.4 計算方程設置

本模型采用Energy Equation能量方程，設Y軸Gravity重力為-9.8（m/s2）,選擇標準湍流模型Standard k-epsilon（2eqn）和標準壁面函數Standard Wall Functions，考慮全浮力影響（Full Buoyancy Effects）。

2.5 組分和設定

本模型屬于氣體擴散（SpeciesTransport）問題，應用meth?ane-air混合體系與入口擴散和擴散能量來源（Inlet Diffusion）、（Diffusion Energy Source）設置；煙囪口排放尾氣組份（Species Mass Fractions）以及大氣濕度、溫度條件根據表1的數據設置。

圖4 脫硫脫硝尾氣煙羽擴散總體相對濕度分布云圖

圖5 視覺可見煙羽尾氣擴散部分（相對濕度100%以上區(qū)域）云圖

2.6 邊界和算法設定

本模型2個速度入口velocity-inlet邊界條件的設置如表2。

其它2個壓力出口Pressure Outlet邊界，設置為環(huán)境大氣壓力，湍流強度設為0.1%，計算邊界分別為400m。

模型建立完畢后，進行全面初始化，首次計算按照1000步迭代，后續(xù)各種方案調整計算200步迭代即可滿足要求。

3 模型研究數據結果

模型計算出脫硫脫硝排放尾氣煙羽中一氧化氮（NO）擴散分布濃度狀況云圖見圖3。

對于脫硫脫硝尾氣排放煙羽的視覺可見性問題，主要是煙氣中所夾帶的水蒸氣與大氣接觸擴散后，造成擴散區(qū)域空氣相對濕度提高，超過空氣飽和濕度后凝結所致，因此可采用相對濕度云圖進行描述，模型生成的在排放口溫度為55.8℃條件下的煙羽擴散整體相對濕度情況見圖4，其中大氣視覺可見部分即相對濕度超過100%以上區(qū)域的煙羽尾氣見圖5.

4 結語

通過本例的實踐，運用CFD建模技術對脫硫脫硝尾氣煙羽擴散問題進行分析研究具有方便易行和可反復推演性，在生產實踐中可利用此模型對有關生產運行參數進行調整，建模有關基本設置也可利用生產實際進行修正，其效果直觀、形象。

表5 捕收劑條件試驗結果 %

2.5 水玻璃用量條件試驗

由表6試驗結果可知，磨礦體系下加入水玻璃后，銅精礦回收率變化不大，但銅精礦品位明顯升高，由13.09%升至20.16%，表明水玻璃能在不影響銅回收率的情況下，抑制硅酸鹽類礦物上浮，顯著提高銅精礦品位。

表6 水玻璃用量條件試驗結果 %

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3 結語

該銅渣采用選礦方法回收銅，開路試驗可獲得含銅20.16%，銅回收率61.14%的精礦產品，尾礦銅品位可降至0.23%，說明該銅渣可通過選礦回收，但最終的選礦指標需通過流程試驗才能確定。預計最終銅精礦品位可達到18%，銅回收率為80%左右。

[1]湯宏.銅渣選礦試驗的探討[J].有色礦山,2011，30(5):38-40.

[2]楊慧芬，袁運波等.銅渣中鐵銅組分回收利用現狀及建議[J].金屬礦山,2012(5):165-168.

[3]朱茂蘭，熊家春等.銅渣中銅鐵資源化利用研究進展[J].有色冶金設計與研究,2016,37(2):15-17.

作者簡介：凡永利（1985-），女，陜西省米脂縣人，學歷：碩士,職稱：助教，榆林職業(yè)技術學院化學工程系教師，研究方向：材料、礦冶工程。

朱旭東（1977-），男，遼寧人，本科學歷，中海石油寧波大榭石化有限公司工程師，研究方向：石油化工